船載高壓岸電系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)計(jì)要素分析

林富有

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧 大連 116113）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的一體化發(fā)展與國(guó)際貿(mào)易的不斷擴(kuò)大，國(guó)際航運(yùn)事業(yè)蒸蒸日上，全球船隊(duì)數(shù)量不斷增加，燃油消耗量不斷增大，廢氣排放量不斷增多[1]。船舶靠港作業(yè)期間使用岸電供電已經(jīng)成為減少船舶污染排放的主要措施之一。目前，包括我國(guó)在內(nèi)的全球大多數(shù)國(guó)家已普遍推廣或強(qiáng)制要求船舶靠港使用岸電。船舶岸電系統(tǒng)是船舶在靠泊碼頭期間停止使用船舶發(fā)電機(jī)，將岸端電源輸送至船上配電系統(tǒng)，供船舶生活用電、輔助機(jī)械、冷箱供電、裝卸作業(yè)等使用。實(shí)現(xiàn)船舶靠泊碼頭期間船舶能夠關(guān)閉船載發(fā)電機(jī)，減少?gòu)U氣排放，從而減少空氣污染和噪聲污染。目前新造船上，在相關(guān)規(guī)范指引下岸電系統(tǒng)設(shè)備逐漸納入常備系統(tǒng)。國(guó)外某些大型集裝箱船、客船、滾裝船港口，已經(jīng)強(qiáng)制要求靠泊船舶安裝岸電系統(tǒng)，該系統(tǒng)在碼頭和該類(lèi)船舶上已經(jīng)成熟應(yīng)用[2]。岸電系統(tǒng)的全面應(yīng)用將是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 高壓岸電系統(tǒng)概述

運(yùn)輸船需要在港口進(jìn)行裝貨，卸貨等作業(yè)，消耗功率大，因此需要采用高壓岸電系統(tǒng)對(duì)船舶供電。除特種船外，世界上大多數(shù)國(guó)家的船舶使用三相交流6.6 kV/60 Hz、440 V/60 Hz、400 V/50 Hz等3種電制。當(dāng)船舶電站主配電板電壓為6.6 kV/60 Hz高壓電時(shí)，岸端可提供相同6.6 kV電源實(shí)現(xiàn)岸-船連接；當(dāng)船舶電站主配電板為440 V/60 Hz或400 V/50 Hz低壓電時(shí)，在船端需要增加變壓器將岸電調(diào)整為與船舶電站電制一致。各國(guó)岸電方案有一些差異，但是大體船用岸電系統(tǒng)是由岸端高壓供電系統(tǒng)和船載高壓岸電系統(tǒng)等2個(gè)部分組成。岸端高壓供電系統(tǒng)中岸端電源為碼頭電源或市電電源見(jiàn)圖1，經(jīng)變壓變頻后調(diào)整為6.6 kV/60 Hz的高壓電源，接入碼頭岸端配電柜，岸端配電柜輸出多路岸電插座箱供船舶靠港使用。船載高壓岸電系統(tǒng)中電纜管理系統(tǒng)岸電插頭與岸電插座箱對(duì)接，電纜管理系統(tǒng)連接船載高壓配電柜，實(shí)現(xiàn)岸電接入船舶。

圖1 高壓岸電系統(tǒng)示意圖

如船舶電站主配電板使用高壓電源，則船載高壓配電板直接接入船舶電站；如船舶電站主配電板使用低壓電源，則船載高壓配電板經(jīng)船載變壓器降壓后接入船舶電站。本文結(jié)合某大型紙漿運(yùn)輸船項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱“本項(xiàng)目”）高壓岸電系統(tǒng)，船舶電站為440V/60 Hz低壓系統(tǒng)，對(duì)其船載高壓岸電系統(tǒng)應(yīng)用與設(shè)計(jì)要素進(jìn)行分析。

2 船載高壓岸電系統(tǒng)組成

如圖2所示，本項(xiàng)目船載高壓岸電系統(tǒng)，主要由以下相關(guān)部件組成：電纜管理系統(tǒng)（電纜絞車(chē)、岸電電纜、岸電插頭）、船載岸電配電柜、專(zhuān)用UPS、船載變壓器、船舶電站岸電屏（集成于船舶電站）等。

圖2 船載高壓岸電系統(tǒng)框圖

2.1 電纜管理系統(tǒng)

電纜管理系統(tǒng)是安裝于船上，設(shè)計(jì)用于收放船岸電纜的系統(tǒng)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)使用岸電管理系統(tǒng)2套，安裝在船舶主甲板的左右舷側(cè)。當(dāng)船舶在碼頭系泊時(shí)，可在任意一側(cè)操作系統(tǒng)使電力電纜連接岸電電源與船舶電站。如圖3和圖4所示，電纜管理系統(tǒng)主要部件構(gòu)成包含：船岸連接電纜、岸電插頭、滾筒、導(dǎo)纜架、液力傳動(dòng)裝置、液壓泵站、驅(qū)動(dòng)控制中心、齒輪旋轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)等。

圖3 電纜管理系統(tǒng)（側(cè)視圖）

圖4 電纜管理系統(tǒng)（俯視圖）

2.1.1 船岸連接電纜

船岸連接電纜用作電力供電電源，信號(hào)控制（分閘控制線）和光纖通信。該電纜滿足高溫高腐蝕海洋環(huán)境要求，適用卷盤(pán)而特殊設(shè)計(jì)，導(dǎo)體采用多股線芯，擁有優(yōu)異的柔性、耐張力等特點(diǎn)。如圖5所示，對(duì)比常規(guī)船用電纜，船岸連接電纜結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，增加了專(zhuān)用接地線芯，分閘控制線芯，光纖通信纖芯。主電絕緣外半導(dǎo)屏蔽層與接地線芯導(dǎo)通，發(fā)生故障時(shí)，故障電流能夠進(jìn)入接地線芯引出，提高系統(tǒng)的安全性能。根據(jù)《高壓岸電連接系統(tǒng)》GB/T 30845.1—2014要求：船岸連接電纜需要使用分閘控制線，構(gòu)成安全控制回路，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)船端或岸端主開(kāi)關(guān)的分閘控制，進(jìn)而確保操作人員的安全[3]。光纖可用于系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，視頻監(jiān)控及其他潛在通信要求等。本項(xiàng)目根據(jù)計(jì)算選用電纜規(guī)格為：電纜規(guī)格3×95+50E+4×2.5+6F0，電纜額定載流量250 A，滿足船舶在碼頭作業(yè)期間需求。

圖5 船岸連接電纜示意圖

2.1.2 岸電插頭

根據(jù)GB/T 30845.1—2014要求，岸電插頭具備兼容性和互換性，其結(jié)構(gòu)形式需嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)制作[4]。本項(xiàng)目根據(jù)前期負(fù)荷計(jì)算碼頭工況計(jì)算需選用350 A檔位岸電電源。如圖6所示：按照GB/T 30845.2—2021標(biāo)準(zhǔn)，350 A岸電插頭選用形式要求含主電源相極觸頭L1/L2/L3，分閘控制極觸頭P1/P2/P3，接地極觸頭E，共7處接插觸頭。光纖線芯不通過(guò)主觸頭連接，在接插件殼體外單獨(dú)連接。高壓岸電插頭、插座系統(tǒng)需要完全遵循國(guó)際已有標(biāo)準(zhǔn)，與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有岸電插頭、插座匹配兼容。

圖6 350 A 高壓岸電接插件示意圖

2.1.2 卷盤(pán)

卷盤(pán)用來(lái)存儲(chǔ)電纜。卷盤(pán)的內(nèi)徑需要滿足電纜最小彎曲半徑要求，也能保證在卷盤(pán)轉(zhuǎn)矩和電纜張力間獲得最佳效果。外徑的選擇需要確保適應(yīng)電纜的總長(zhǎng)度。卷盤(pán)寬度的劃分由電纜直徑以及鋪設(shè)方式?jīng)Q定。

2.1.3 導(dǎo)纜器

導(dǎo)纜器通過(guò)放下轉(zhuǎn)臂為將電纜從卷盤(pán)引導(dǎo)到船舷外側(cè)提供一個(gè)相對(duì)光滑的路徑。轉(zhuǎn)臂上并列排放了若干個(gè)托輥，這些托輥形成的導(dǎo)向的半徑大于電纜的最小彎曲半徑。導(dǎo)纜器轉(zhuǎn)臂的放下和折收通過(guò)兩側(cè)液壓油缸和1套液壓動(dòng)力站來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1.4 集電器

集電器用于卷盤(pán)上的旋轉(zhuǎn)電纜和機(jī)械上的固定電纜間的電力和數(shù)據(jù)傳輸。中壓集電器用1×3條動(dòng)力線和1條地線的連接到銅制集電環(huán)上，與之相對(duì)的，安裝有多塊碳刷隨卷筒同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)將來(lái)自卷筒電纜的電力傳輸?shù)矫恳幌嚆~制滑環(huán)上。每一相電力分別用1條動(dòng)力電纜并聯(lián)從滑環(huán)上接到卷筒端部的動(dòng)力端子箱內(nèi)。銅制滑環(huán)的相間和相地絕緣靠絕緣子和空氣實(shí)現(xiàn)絕緣。接地滑環(huán)線（PE）必須用1根接地電纜連接到卷盤(pán)結(jié)構(gòu)上，確保來(lái)自岸上的地線可靠接地到船體。低壓集電器包括6個(gè)旋轉(zhuǎn)銅制集電環(huán)，與之相對(duì)地安裝有很多旋轉(zhuǎn)碳刷。玻璃纖維絕緣子和空氣將每相隔離。LV集電環(huán)用于控制電路。光纖（FO）耦合器是通過(guò)一條特殊螺旋中繼光纜傳輸旋轉(zhuǎn)光信號(hào)。其后置于控制滑環(huán)后。

2.1.5 絞車(chē)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

電纜絞車(chē)驅(qū)動(dòng)部分由一個(gè)硬齒面減速器和變頻電機(jī)組成。傳動(dòng)裝置由交流鼠籠式變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)具有柔軟的驅(qū)動(dòng)特性，并且可以根據(jù)收、放電纜工況輸出不同的驅(qū)動(dòng)扭矩；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)還具有可靠的防抱死制動(dòng)特性，即使在驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障，船舶吃水不斷上升情況下，電纜也能被安全地拽出卷盤(pán)絕不會(huì)對(duì)電纜產(chǎn)生不良應(yīng)力。

2.1.6 絞車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

絞車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)具有卷盤(pán)驅(qū)動(dòng)控制和電纜管理等2種功能。本項(xiàng)目動(dòng)力電纜絞車(chē)采用的是變頻驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，具有自動(dòng)和手動(dòng)等2種操作模式。在自動(dòng)模式下，變頻器運(yùn)行于直接力矩控制模式，能分別對(duì)收電纜和“放電纜”這2種工況輸出卷入電纜扭矩和“放出電纜”扭矩。當(dāng)系統(tǒng)被切換到手動(dòng)模式下，變頻器進(jìn)入速度控制模式。手動(dòng)控制模式主要用于安裝調(diào)試，船舶靠/離岸邊和臨時(shí)應(yīng)急收放電纜。絞車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)配備了1個(gè)具有IP56防護(hù)等級(jí)包含電纜絞車(chē)操作所需的電氣開(kāi)關(guān)設(shè)備的附件。這是一個(gè)具有4個(gè)功能的拖線式遠(yuǎn)程控制器作為操作接口。能便于船員在操作時(shí)在船舷邊觀察到電纜?？刂乒耖T(mén)上的指示器燈提供反饋信號(hào)。電纜管理是在自動(dòng)模式下，通過(guò)設(shè)定工作時(shí)間間隔，使系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制收/放電纜的功能，見(jiàn)圖7。

圖7 系統(tǒng)框架圖

2.1.7 齒輪旋轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)

齒輪旋轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)分別用于卷滿，倒數(shù)第2圈，最后1圈的監(jiān)測(cè)，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)時(shí)在絞車(chē)本地控制中心發(fā)出對(duì)應(yīng)聲光報(bào)警提示操作人員進(jìn)行對(duì)應(yīng)的操作，同時(shí)報(bào)警信號(hào)傳遞至船上的高壓配電板和監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，提醒船上相關(guān)人員對(duì)應(yīng)處理。

2.2 船載高壓配電板及專(zhuān)用UPS

本項(xiàng)目船載高壓配電板含2路進(jìn)線主開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)從電纜管理系統(tǒng)接入高壓電源，一路出線主開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)將高壓電源輸出至船載岸電變壓器，主開(kāi)關(guān)均使用真空斷路器。2個(gè)進(jìn)線主開(kāi)關(guān)通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)連鎖，每個(gè)主開(kāi)關(guān)設(shè)置相序監(jiān)測(cè)裝置，保證岸電相序與船舶電站相序一致后才可接通；主開(kāi)關(guān)面板設(shè)置多功能保護(hù)器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控岸電管理系統(tǒng)主要參數(shù)，在監(jiān)測(cè)到岸電管理系統(tǒng)故障時(shí)能夠緊急關(guān)停系統(tǒng)。高壓配電板控制回路使用專(zhuān)用UPS供電，可有效提高系統(tǒng)可靠性。

2.3 船載岸電變壓器

岸電變壓器安裝用于岸電系統(tǒng)的輸變電功能，將高壓岸電轉(zhuǎn)換為低壓用電輸入船舶主配電板上。變壓器容量根據(jù)船舶在碼頭工況計(jì)算消耗功率得出。

2.4 船舶電站岸電連接屏

船舶主配電板岸電屏作為船舶電站的一部分，該岸電屏用于岸電接入船舶電站，其控制單元通過(guò)與主發(fā)電機(jī)控制單元的連鎖控制，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷在線轉(zhuǎn)移，完成岸電供電。

3 高壓岸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要素

3.1 岸電容量設(shè)計(jì)

岸基供電系統(tǒng)的容量應(yīng)根據(jù)船舶靠港作業(yè)所需負(fù)荷決定。如表1所示，本項(xiàng)目預(yù)期使用負(fù)荷統(tǒng)計(jì)中，在裝卸貨工況和停泊工況下使用岸電供電，兩者最大使用功率為1 500.5 kW，因此岸電容量對(duì)應(yīng)選擇使用2 000 kVA檔位，相關(guān)船載高壓岸電系統(tǒng)的電纜管理系統(tǒng)，船載高壓配電板，船載變壓器等均按此岸電容量開(kāi)展對(duì)應(yīng)選型和設(shè)計(jì)。

表1 某大型紙漿運(yùn)輸船預(yù)期使用負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

3.2 船載高壓岸電系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)

電纜管理系統(tǒng)布置在露天甲板，2套分別布置在左右舷，這樣可最大范圍內(nèi)方便接入港口岸電。

高壓岸電配電板，岸電變壓器布置在機(jī)艙上平臺(tái)，根據(jù)中國(guó)船級(jí)社要求，高壓電氣設(shè)備的外殼防護(hù)等級(jí)均應(yīng)與其安裝場(chǎng)所相適應(yīng)[5]。因此高壓配電板、變壓器等設(shè)備應(yīng)集中布置在專(zhuān)用電氣設(shè)備間。同時(shí)，應(yīng)考慮靠近岸電管理系統(tǒng)，減少兩者之間的高壓電纜長(zhǎng)度，降低電纜成本。

3.3 船載高壓岸電系統(tǒng)應(yīng)急切斷設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目在電纜管理系統(tǒng)本地，船載高壓配電板，船舶電站均設(shè)計(jì)對(duì)高壓壓岸電系統(tǒng)的應(yīng)急切斷，提高系統(tǒng)安全，避免造成人員傷害。

3.3.1 電纜管理系統(tǒng)本地應(yīng)急切斷設(shè)計(jì)

電纜管理系統(tǒng)本地控制箱和手持操作盒安裝應(yīng)急停止按鈕，當(dāng)遇到突發(fā)狀況時(shí)，可在本地絞車(chē)附件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行急停操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)本地卷盤(pán)電機(jī)電源開(kāi)關(guān)，導(dǎo)纜架電機(jī)電源開(kāi)關(guān)和高壓配電板主開(kāi)關(guān)同時(shí)分閘斷電，岸電電源開(kāi)關(guān)通過(guò)分閘控制線連鎖控制對(duì)應(yīng)分閘斷電。

3.3.2 高壓配電板應(yīng)急切斷設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目高壓配電板進(jìn)線主開(kāi)關(guān)通過(guò)分閘控制線與岸電電源開(kāi)關(guān)連鎖，觸發(fā)分閘的信號(hào)含每個(gè)主開(kāi)關(guān)多功能保護(hù)單元，含過(guò)載、短路控制回路故障，分閘命令信號(hào)；岸電管理系統(tǒng)本地分閘指令信號(hào)；絞車(chē)電纜最后一圈警告信號(hào)；高壓配電板接地故障信號(hào)；高壓配電板接地連鎖信號(hào)；船舶電站應(yīng)急停止命令信號(hào)等。任意信號(hào)均可同時(shí)觸發(fā)高壓配電板主開(kāi)關(guān)和岸電主開(kāi)關(guān)分閘斷電。

3.3.3 船舶電站對(duì)高壓岸電系統(tǒng)應(yīng)急切斷設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目船舶電站低壓配電板布置在集控室，在其岸電電源進(jìn)線屏面板設(shè)置應(yīng)急切斷按鈕，該信號(hào)連接至高壓配電板，可直接切斷高壓配電板電源開(kāi)關(guān)，并通過(guò)分閘控制線與岸電開(kāi)關(guān)連鎖。集控室監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控高壓岸電系統(tǒng)相關(guān)各項(xiàng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和主要參數(shù)，操作人員可根據(jù)船舶運(yùn)行狀態(tài)判斷并執(zhí)行對(duì)高壓岸電系統(tǒng)的應(yīng)急切斷操作。

4 結(jié)論

船舶靠港使用岸電供電有著巨大的環(huán)境效益，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在船舶設(shè)計(jì)階段對(duì)各項(xiàng)設(shè)計(jì)要素充分評(píng)估，能夠進(jìn)一步保證該系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。